JP2007165403A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオード等が形成された半導体基板の上層に光学層を積層して製造される固体撮像素子の光学層の高さを低く製造する。
【解決手段】半導体基板の受光面に配列形成された複数の画素で構成される画素部と、半導体基板上に形成され画素部の周辺領域に設けられる周辺回路とを備える固体撮像素子を製造するとき、周辺領域と画素部とに第１絶縁層３７を共に積層し周辺領域の第１絶縁層３７ｎの上に周辺回路の配線層５１を積層した後、更に第２絶縁層３８を画素部と周辺領域とに共に積層して固体撮像素子を製造する場合、配線層５１を積層するとき周辺領域の第１絶縁層３７ｎを所定厚さｄだけ削成してから配線層５１の積層と第２絶縁層３８，３８ｎの積層を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は固体撮像素子及びその製造方法に係り、特に、固体撮像素子の受光領域表面に積層される光学層の厚さを薄く形成した固体撮像素子及びその製造方法に関する。

近年の固体撮像素子は多画素化が進み、数百万画素を搭載するのが普通になってきている。このため、各画素の横方向（半導体基板表面に平行な方向）の寸法は小さくなる一方であるが、縦方向（光入射方向）の寸法は、横方向に比較してそれほど小さくはなっていない。これは、半導体基板の上に形成する光学層（平坦化層やカラーフィルタ層、マイクロレンズ層等）の厚さを薄くするのが困難なためである。

この様な理由により、各画素における光入射通路は縦長の細い通路となり、各画素の上部にトップレンズ（マイクロレンズ）を形成する場合、その集光点がフォトダイオードの受光面に届くようにトップレンズを製造するのが困難になっている。そこで、下記特許文献１，２に記載されている様に、狭い通路の途中にもマイクロレンズ（インナーレンズ）を形成する様になっている。

しかし、更なる多画素化を図ったり、入射光の各フォトダイオード受光面への入射率を向上させて固体撮像素子の高感度化を図るには、光学層の厚さを薄くする必要がある。

しかしながら、光学層の薄膜化は、画素部を形成する半導体チップ周辺部に周辺回路を一体に形成する固体撮像素子では、周辺回路の配線製造工程で制限を受けてしまい、光学層が厚くなってしまうものがある。これを図３，図４で説明する。

図３は、従来の固体撮像素子の一例の断面模式図である。この固体撮像素子１は、半導体基板１の表面部にフォトダイオード２が形成されると共に電荷転送路の埋め込みチャネル３が形成されている。半導体基板１の表面は透明絶縁層４で覆われ、埋め込みチャネル３の上には、電荷転送路の転送電極を構成する第１，第２ポリシリコン層５，６が積層され、その上に、透明絶縁層７が積層される。そして、更にその上に遮光膜８が積層される。この遮光膜８は、フォトダイオード２の上に開口８ａを有している。

遮光膜８の上には層間絶縁層９が積層される。この層間絶縁層９は、フォトダイオード２の直上位置において凹形状９ａとなり、層間絶縁層９の上に平坦化層１０を積層すると、この凹形状部９ａが下凸のインナーレンズとなる。

平坦化層１０の上面が平面状に削成された後、カラーフィルタ層１１が積層され、その上に平坦化層１２が積層され、その上にトップレンズ（マイクロレンズ）１３が形成される。

図４は、図３に示す固体撮像素子の製造手順の概略を示す図である。図３では、固体撮像素子の画素部の構成について述べたが、固体撮像素子の画素部の周辺部には、電荷転送路に転送パルスを印加する配線層やタイミングジェネレータ等の周辺回路部が形成される。画素部と周辺回路部とは同一製造手順で製造されるが、周辺回路部には、画素部に設ける必要のない配線層が必要となっている。

図４（ａ）は、図３で説明した絶縁層４、ポリシリコン層５，６、絶縁層７、遮光膜８、層間絶縁層９を順に積層した状態を示しており、これらの材料を積層するとき、周辺回路部でも、絶縁層４ｎ、ポリシリコン層６ｎ、絶縁層７ｎ、金属膜８ｎ、層間絶縁層９ｎが形成される。

そして、図４（ｂ）に示す様に、周辺回路部では（画素部にマスクして）、層間絶縁層９ｎの上にアルミ配線層１５ｎが積層され、更にその上に、（画素部のマスクを外して）平坦化層１０，１０ｎが積層される。

その後、図４（ｃ）に示す様に、画素部及び周辺回路部の平坦化層１０，１０ｎの表面がＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）やエッチバック等によって配線層１５ｎまで削られ、以後、画素部では、カラーフィルタ層１１やトップレンズ１３が積層される。

特許第３０４４７３４号公報 特許第２９５６１３２号公報

図４で説明した従来の製造手順によれば、画素部の光学層の厚さ、特に、平坦化した平坦化層１０の頂面までの高さｔ１（図４（ｃ）参照）が、周辺回路部に設ける配線層１５ｎの高さに依存してしまうという製造制約上の制限があり、光学層全体の高さを低くすることができないという問題がある。

本発明の目的は、光学層の厚さを薄くすることができる固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の受光面に配列形成された複数の画素で構成される画素部と、前記半導体基板上に形成され前記画素部の周辺領域に設けられる周辺回路とを備える固体撮像素子を製造するとき、前記周辺領域と前記画素部とに第１絶縁層を共に積層し前記周辺領域の前記第１絶縁層の上に前記周辺回路の配線層を積層した後、更に第２絶縁層を前記画素部と前記周辺領域とに共に積層して前記固体撮像素子を製造する製造方法において、前記配線層を積層するとき前記周辺領域の前記第１絶縁層を所定厚さだけ削成してから前記配線層の積層と前記第２絶縁層の積層を行うことを特徴とする。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記第２絶縁層を積層した後に前記画素部及び前記周辺領域の上の該第２絶縁層を前記配線層まで平坦化し、その後、前記画素部の上の前記第２絶縁層の上にカラーフィルタ層を形成することを特徴とする。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記カラーフィルタ層の上にマイクロレンズが設けられることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板の受光面に配列形成された複数の画素で構成される画素部と、前記半導体基板上に形成され前記画素部の周辺領域に設けられる周辺回路とを備える固体撮像素子において、上述したいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法で製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、画素部の周辺領域において第１絶縁層の高さを低くしてから周辺回路の配線層を形成するため、画素部における第２絶縁層の高さが周辺回路の配線層の高さに規制されても、画素部の第２絶縁層の高さを低くすることができ、固体撮像素子の光学層の高さを低く製造することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の画素部における略２画素分の断面模式図である。この固体撮像素子２０は、半導体基板２１の受光面（半導体基板のほぼ中央部）に多数の画素がアレイ状に配列形成されており、画素部の周辺部（同一半導体基板上の画素部周辺領域）に周辺回路（図１には図示省略）が設けられている。

ｎ型半導体基板２１の表面部には、ｐウェル層２２が形成されている。画素部の光電変換領域におけるｐウェル層２２にｎ領域２３が形成されることでｐウェル層２２との間でフォトダイオード（光電変換素子）が形成され、電荷転送領域にｎ領域２４が形成されることで電荷転送路の埋め込みチャネルが形成される。

ｎ領域２３と、ｎ領域２３の蓄積電荷を転送する埋め込みチャネル２４との間には蓄積電荷を読み出す読出ゲート（ｐ領域）２５が形成され、埋め込みチャネル２４の読出ゲート２５を設けない反対側のｎ領域２３との間には、素子分離部（ｐ^＋領域）２６が形成される。ｎ領域２３の表面部には、暗電流抑制用のｐ^＋層２７が設けられている。

この様な構成の半導体基板２１の上層部に、光学層３０が積層される。先ず、半導体基板２１の表面全面に、透明な絶縁層３１が積層される。この絶縁層３１は、ＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造で形成される。そして、電荷転送領域の上に、電荷転送路の転送電極を構成する第１層ポリシリコン層３２と第２層ポリシリコン層３３とが、酸化シリコン等の電極間絶縁膜３４によって相互に分離されて形成される。

更に、その上の全面に、透明な絶縁層３５が積層される。この絶縁層３５は、例えば窒化シリコン膜でなる。更にその上に、タングステン等の金属膜が遮光膜３６として積層される。この遮光膜３６は、光電変換領域の上に開口３６ａを有し、開口３６ａ内に入射した光は、窒化シリコン膜３５を通してｎ領域２３に入る。この窒化シリコン膜３５は、反射防止の機能を有する。

遮光膜３６の上には、層間絶縁層３７が積層される。層間絶縁層３７は、例えば、ＢＰＳＧ膜（ボロンリンドープ酸化膜）あるいはＰＳＧ膜（リンドープ酸化膜）で形成される。電荷転送領域の真上部分は、遮光膜３６等が形成されている関係で上凸形状になっており、このため、遮光膜開口３６ａの真上は下凸形状３７ａになっている。従って、平坦化層３８を層間絶縁層３７の上に積層すると、下凸形状３７ａの部分に流れ込んだ平坦化層３８が下凸のインナーレンズとして機能する。

平坦化層３８の上面は、ＣＰＭやエッチバックにより平坦に削成され、その上に、カラーフィルタ層３９，平坦化層４０，マイクロレンズ（トップレンズ）４１が順に積層される。

図１に示される本実施形態に係る固体撮像素子２０では、図３で説明した従来の固体撮像素子に対し、半導体基板表面から平坦化層３８の頂面（カラーフィルタ層の下面）までの厚さ（図４（ｃ）のｔ１）が薄くなっている。

図２は、図１に示す本実施形態に係る固体撮像素子の製造手順を示す図である。

図２（ａ）は、図１で説明した絶縁層３１、ポリシリコン層３２，３３、絶縁層３５、遮光膜３６、層間絶縁層３７を順に積層した状態を示しており、これらの材料を積層するとき、周辺回路部でも、絶縁層３１ｎ、ポリシリコン層３３ｎ、絶縁層３５ｎ、金属膜３６ｎ、層間絶縁層３７ｎが、画素部の各層３１，３２，３３，３５，３６，３７と一緒に形成される。ここまでは、図４（ａ）で説明した従来の場合と同じである。

ここで、本実施形態では、層間絶縁層３７，３７ｎまで積層された半導体基板のうち、画素部の上面にのみレジスト膜５０を積層し、周辺回路部の上の層間絶縁層３７ｎを露出させる。

次に、図２（ｂ）に示す様に、周辺回路部の上の層間絶縁層３７ｎを所定厚さｄだけエッチバック等で削成し、所望の厚さの層間絶縁層３７ｎを残した後、レジスト膜５０を除去する。

次に、図２（ｃ）に示す様に、周辺回路部の層間絶縁層３７ｎの上に、周辺回路の配線層５１を積層する。この配線層５１の頂面高さは、画素部における層間絶縁層３７の最上面より高い位置とする。そして、画素部及び周辺回路部の全体に平坦化層３８，３８ｎを積層する。

次に、図２（ｄ）に示す様に、平坦化層３８，３８ｎまでが積層された半導体基板の全体を、周辺回路部の配線層５１が露出するまでＣＭＰやエッチバック等によって削成する。これにより、半導体基板２１の表面から配線層５１，層間絶縁層３８の頂面までの厚さはｔ２となる。

この厚さｔ２は、図４（ｃ）で説明した厚さｔ１に対し、図２（ｂ）で説明した層間絶縁層３７ｎのエッチバック量（厚さｄ）だけ薄くなっている（ｔ２＝ｔ１−ｄ）。

この様に、本実施形態に係る固体撮像素子では、画素部の光学層３０の厚さが、図２（ｂ）で説明した周辺回路部における層間絶縁層３７の削成量だけ薄いため、有利な光学構造になっている。

即ち、本実施形態の固体撮像素子では、厚さｄだけトップレンズ４１をフォトダイオードに近づけることができ、トップレンズ４１の焦点距離の設計余裕が大きくなると共に、各画素におけるフォトダイオードへの光入射率を高めることができ（マイクロレンズでフォトダイオード表面に集光した入射光が遮光膜にかかって無駄になる率が少なくなる。）、固体撮像素子の高感度化を図ることが可能となる。

本発明に係る固体撮像素子は、トップレンズの焦点距離の設計が容易になると共に入射光の光利用効率が高まるため、高感度撮影が可能なデジタルカメラ等に搭載する固体撮像素子として有用である。

本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の画素部の断面模式図である。 図１に示す本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の製造手順の要部を示す図である。 従来のＣＣＤ型固体撮像素子の画素部の断面模式図である。 図３に示す従来のＣＣＤ型固体撮像素子の製造手順の要部を示す図である。

符号の説明

２０ ＣＣＤ型固体撮像素子
２１ 半導体基板
２２ ｐウェル層
２３ ｎ領域（フォトダイオードのｎ領域）
２４ ｎ領域（電荷転送路の埋め込みチャネル）
３０ 光学層
３１ 画素部の絶縁層
３１ｎ 周辺回路部の絶縁層
３３ 画素部のポリシリコン層
３３ｎ 周辺回路部のポリシリコン層
３６ 画素部の遮光膜
３６ａ 開口部
３６ｎ 周辺回路部の金属層
３７ 画素部の層間絶縁層（第１絶縁層）
３７ａ 凹形状部（インナーレンズ部）
３７ｎ 周辺回路部の層間絶縁層（第１絶縁層）
３８ 画素部の平坦化層（第２絶縁層）
３８ｎ 周辺回路部の平坦化層（第２絶縁層）
３９ カラーフィルタ層
４１ マイクロレンズ（トップレンズ）
５１ 周辺回路の配線層

Claims (4)

1. 半導体基板の受光面に配列形成された複数の画素で構成される画素部と、前記半導体基板上に形成され前記画素部の周辺領域に設けられる周辺回路とを備える固体撮像素子を製造するとき、前記周辺領域と前記画素部とに第１絶縁層を共に積層し前記周辺領域の前記第１絶縁層の上に前記周辺回路の配線層を積層した後、更に第２絶縁層を前記画素部と前記周辺領域とに共に積層して前記固体撮像素子を製造する製造方法において、前記配線層を積層するとき前記周辺領域の前記第１絶縁層を所定厚さだけ削成してから前記配線層の積層と前記第２絶縁層の積層を行うことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 前記第２絶縁層を積層した後に前記画素部及び前記周辺領域の上の該第２絶縁層を前記配線層まで平坦化し、その後、前記画素部の上の前記第２絶縁層の上にカラーフィルタ層を形成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 前記カラーフィルタ層の上にマイクロレンズが設けられることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 半導体基板の受光面に配列形成された複数の画素で構成される画素部と、前記半導体基板上に形成され前記画素部の周辺領域に設けられる周辺回路とを備える固体撮像素子において、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法で製造されたことを特徴とする固体撮像素子。

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